Industrial IT für. Kaltwalzwerke. Die nächste Generation der Kaltwalzwerksautomation. ABB Technik 4/2004

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1 Industrial IT für Kaltwalzwerke Die nächste Generation der Kaltwalzwerksautoation Andreas Kroll, Andreas Voller Betreiber von Kaltwalzwerken sehen sich it ier höheren Ansprüchen ihrer Kunden hinsichtlich der Qualität ihrer Produkte konfrontiert: Die Toleranzen für die Dicke und Planheit von kaltgewalzten Materialien werden ier geringer, während die Anforderungen an die Oberflächenqualität steigen. Außerde gilt es, die Flexibilität der Anlagen zu erhöhen: Eine größere Produktvielfalt ist abzudecken, und gleichzeitig ist eine hohe Produktivität (Durchsatz und Ausbeute) sicherzustellen, u die Wettbewerbsfähigkeit auf de Weltarkt zu sichern. Zur Erfüllung dieser Anforderungen ist ein odernes Autoatisierungssyste erforderlich, das eine nahtlose Integration von neuesten Technologieprodukten und -lösungen eröglicht. Mit der Entwicklung der nächsten Generation von Autoatisierungssysteen und leistungssteigernden Technologielösungen für Kaltwalzwerke hilft ABB den Betreibern, ihre wirtschaftlichen und technologischen Ziele zu erreichen. Die Technologielösungen ufassen Koponenten zur Stichplanung, Gerüstvoreinstellung, Siulation, Regelung sowie zur Überwachung und Diagnose der Produktqualität. Erste Versuche in den Walzwerken von Kunden in Deutschland und der Schweiz haben bereits eine deutliche Erhöhung des Durchsatzes und eine klare Verringerung der Banddickentoleranz i Vergleich zu herkölicher Technik ergeben. 44

2 Angesichts steigender Anforderungen an ihre Rentabilität arbeiten viele Walzwerke bereits an der Grenze ihrer Produktivität und Produktqualität. Gleichzeitig üssen sie flexibel genug sein, u eine wachsende Produktvielfalt abzudecken. Die Bandqualität und der Durchsatz eines Werkes werden von verschiedenen Faktoren wie de echanischen Aufbau, der elektrischen Ausrüstung, den Hilfseinrichtungen und der Regelungsstrategie beeinflusst. Dait verbunden ist eine Vielzahl von Prozessgrößen, die präzise geregelt und gesteuert werden üssen, wenn die hohen Ziele bezüglich der Produktqualität erreicht werden sollen 1. Außerde üssen Stichpläne und Sollwerte optial gewählt sein, u die gewünschte Produktivität zu gewährleisten. Die gesate Regelungsaufgabe ist durch die auftretenden extreen Paraeterbereiche geprägt, schließlich üssen Walzensätze it eine Gewicht von bis zu 40 Tonnen auf 1 µ genau bewegt werden üssen (Tabelle 1). Eine tiefe Integration von Autoatisierung, Optiierung, Regelung und Entscheidungsunterstützungstools ist erforderlich, u das volle Potenzial eines Walzwerks ausnutzen zu können. Ein solcher ganzheitlicher Ansatz uss folgende Bereiche abdecken: Mechanische Systee Antriebsstrang Materialfluss Visualisierungs- und Leitsyste Modellierung und Siulation Stichplanung und Gerüstvoreinstellung Technologische Regelung Überwachung und Diagnose Die Entwicklung solcher Systee erfordert ufangreiche Kenntnisse und Erfahrung in der etallverarbeitenden Industrie. Aufbauend auf das in 650 Projekten i Bereich des Kaltwalzens gewonnene Know-how hat ABB die nächste Generation der Kaltwalzwerksautoatisierung entwickelt. Wie in 2 gezeigt, ufasst das neue Syste die Koponenten ABB Industrial IT -Autoatisierungsplattfor it Aspect Object TM -Technologie die Grundlage, Siulate IT für Kaltwalzwerke zur nichtlinearen, dynaischen Anlagensiulation, 1 Das Kaltwalzen beinhaltet die Regelung eines Prozesses it einer Vielzahl verkoppelter Größen in Anbetracht erheblicher Störungen und Paraeterschwankungen. Entry thickness variation Roll force/position reference Pay off reel tension reference Tension reel tension reference 2 Rolling speed reference Roll torque reference Bending reference Shifting reference Cooling distribution Teperature Roll and coil errors Advanced Mill Control Other dynaic disturbances Material paraeters Mill speed Entry speed Exit speed Roll force/position Entry tension/torque Exit tension/torque Bending Shifting Cooling Disturbances Control variables Paraeter variations (slow, presetting) Set-up variables Die Industrial IT -Autoatisierungsplattfor, die Technologielösungen und das Produktionsleitsyste sind nahtlos in das neue ABB-Angebot integriert. Siulate IT for Cold Rolling Mills Enterprise Resource Planning/Supply Chain Manageent Infor IT Manufacturing Execution Syste Optiize IT for Presetting in Cold Rolling Mills Industrial IT Autoation Platfor Process Control IT for Technological Control in Cold Rolling Mills Advise IT for Cold Rolling Mills 45

3 Optiize IT für Kaltwalzwerke zur Stichplanoptiierung und adaptiven Gerüstvoreinstellung, Control IT für technologische Regelungen zur Dicken-, Planheits- und Zugregelung, Advise IT für Kaltwalzwerke zur Überwachung und Diagnose der Produktqualität, insbesondere von Banddicke und -planheit. Sätliche Koponenten lassen sich nahtlos iteinander und de Produktionsleitsyste integrieren. Industrial IT -Autoatisierungsplattfor it Aspect Object TM -Technologie Autoatisierungssystee für die Metallindustrie bestehen i Wesentlichen aus Anzeige-und Bedienkoponenten, Controllern, Antrieben, Instruentierung, E/A-Syste, Bussyste und anderer Feldkounikation. Die Integration von Produktionsleitsysteen und externen Systeen oder Anwendungen sowie die Anbindung an Betriebsführungssystee (ERP-Systee) der Ebene 3 runden das Syste ab. Es bedarf jedoch ehr als nur der Integration von Daten, dait ein Autoatisierungssyste den heutigen Ansprüchen an die Qualität der Produkte und die Produktivität, Verfügbarkeit und Flexibilität der Anlage gerecht werden kann. So uss das Manageent ebenso wie das Bedien- und Wartungspersonal benötigte Inforationen jederzeit über eine einheitliche Benutzerschnittstelle abrufen können, u die richtigen geschäftlichen, betrieblichen und wartungstechnischen Entscheidungen zu treffen. Genau dies eröglicht die ABB Industrial IT -Autoatisierungsplattfor it Aspect Object TM - Technologie. Integration von Inforation und Navigation Das Bedien- und Wartungspersonal uss sich it Inforationen aus einer Vielzahl von Quellen wie Messwerten, Anwendungen und Multiedia-Überwachungssysteen befassen 3. Obwohl die Inforationen zu den einzelnen Objekten des Werks in verschiedenen Foraten vorliegen können, sorgt die ABB Aspect Object TM -Technologie für eine vollständige Integration. Der Benutzer uss sich also nicht it unterschiedlichen Dateiforaten, Verzeichnissen, Anwendungen, Betriebssysteen und Coputern auseinander setzen. Eine hierarchische Strukturierung der Anlagenobjekte und eine leistungsfähige Suchfunktion erleichtern und beschleunigen die Navigation und das Abrufen der Inforationen. Dies ist besonders nützlich wenn die Entscheidungsfindung während des Betriebs auf vielen Inforationsquellen und -arten basiert, für eine schnelle Diagnose bei Störungen, für eine schnelle und effektive Wartung. Mensch-Maschine-Schnittstelle: Operate IT Operate IT ist die Mensch-Maschine- Schnittstelle für die Prozessüberwachung, Prozessführung und Diagnose 3. Es unterstützt zude die Optiierung und Wartung des Walzwerks. Operate IT nutzt die Aspect Object TM -Technologie zur Integration und Verwaltung von Daten aus unterschiedlichen Quellen. Durch Verwendung des Industriestandards OPC (OLE for Process Control) arbeitet Operate IT problelos it allen Controllern von ABB und vielen Drittanbietersysteen und -anwendungen zusaen. Prozess-Controller: Control IT Control IT besteht aus: einer odularen und skalierbaren Failie von Prozess-Controllern, auch bekannt als AC800-Controller, eine de IEC Standard konforen Prograiertool für eine Vielzahl industrieller Steuerungs- und Regelungsfunktionen. Die Controller eignen sich sowohl für 3 Operate IT : Prozessbedien- und Beobachtungsstation 4 Siulate IT : Grafische Benutzerschnittstelle des nichtlinearen Siulationswerkzeuges für Kaltwalzwerke 46

4 einfache Anwendungen als auch für die koplexe technologische Regelung von Walzwerken. Schnelle Regelkreise it Zykluszeiten von 1 s und weniger sind ebenso öglich wie die direkte Konfiguration der Regelkreise aus der Matlab/ Siulink TM -Ugebung. Sätliche ABB- Lösungen sind it einer Siulationsfunktion ausgestattet, it der Tests auch getrennt vo Prozess oder de Controller durchführt werden können. Siulate IT für Kaltwalzwerke Unabhängig davon, ob ein Betreiber in ein neues Walzwerk oder in die Modernisierung eines bestehenden Werkes investieren öchte, ist es von zentraler Bedeutung, ob die geplante Anlagenkonfiguration in der Lage ist, die gestellten Anforderungen zu erfüllen. Tabelle 1 Extree Paraeterbereiche in Kaltwalzwerken CRM Coparison Max force 30 MN 11 kn (Sports car*) Max ass 40 tons 1,7 tons (Sports car*) Max acceleration 2 /s 2 7 /s 2 (Sports car*) Max sheet speed 120 k/h 305 k/h (Sports car*) Nuber of drives (Sports car*) Min thickness 2 6 µ µ (Huan hair) Min thickness tolerance 0,5... 1,0% Min saple tie 5 1 s * Porsche 911 Turbo, 309 kw Optiierter Stichplan it neun Durchläufen, berechnet it de Offline-Tool für die Stichplanberechnung Die Produktqualität hängt von einer Reihe verschiedener Faktoren ab, wie der echanischen, elektrischen und hydraulischen Ausrüstung, de Eingangsaterial, der Schierung und der Regelungsstrategie. Viele Anlagenkonfigurationen und Betriebsszenarien sollten zur Analyse der Perforance des Gesatsystes vorab durch Siulation getestet werden. Dabei sind auch die Beschleunigungs- und Verzögerungsphasen zu berücksichtigen (sie achen je nach Anlagenkonfiguration und Produkt bis zu 50% eines vollständigen Durchlaufs aus). Zu diese Zweck hat ABB die objektorientierte Modellierungs- und Siulationsugebung Siulate IT für Kaltwalzwerke entwickelt. Diese stellt u. a. eine walzwerkspezifische Modellbibliothek und einen grafischen Editor zur Verknüpfung der Modellobjekte it de Anlagenodell zur Verfügung. Bisher waren vereinfachte Modelle, die eine Siulation und Analyse auf einen engen Bereich u einen Arbeitspunktes beschränkten, der Stand der industriell eingesetzten Technik. Durch die Verwendung von nichtlinearen dynaischen Prozessodellen bietet Siulate IT die Möglichkeit, ganze Stiche einschließlich der kritischen Beschleunigungs- und Verzögerungsphasen zu analysieren. Algorithen zur Paraeterschätzung und integrierte Funktionen zur Unterstützung der Modellvalidierung erlauben eine effizientere Anpassung der Modelle an unterschiedliche Anlagenkonfigurationen. Mit Hilfe von Siulationen lässt sich die Leistungsfähigkeit verschiedener Regelungsstrategien, echanischer Ausführungen, Sensorik und Antriebe vergleichen 4. Aus den Ergebnissen kann dann die a besten geeignete Regelungsstrategie gewählt und wirksae Verbesserungen des Produktionsprozesses abgeleitet werden. Mit Hilfe der dynaischen Siulation können zude anlagenspezifische, die Produktqualität beeinträchtigende Problee wie Schwingungen analysiert werden. Die Autoatisierungslösungen von ABB verfügen über integrierte Prozessodelle zu Testen von kundenspezifischer Software vor der Inbetriebnahe. So können Lösungen in Echtzeit siuliert werden, ohne dass sie an den Prozess oder einen Controller angeschlossen sein üssen. Die beschriebene Leistungsfähigkeit wurde anhand von Siulationsstudien für verschiedene Walzwerke geprüft, it deren Hilfe Kunden bei ihrer Anlagenodernisierung die richtige Entscheidung treffen konnten. Optiize IT zur Gerüstvoreinstellung Optiize IT für Kaltwalzwerke berechnet optiale Stichpläne und adaptiert Vorein- 47

5 6 7 Set point Mehrgrößen-Regelungskonzept it dynaisch entkoppelten PID-Reglern, dynaischer Vorsteuerung und Online-Paraeteradaption MIMO Controller PIDs Control objectives Controller design/adaption Pass schedule, Set-up and adaption Controller paraeter Dynaic Disturbance FF Dynaic Decoupler On-line Plant Model Mill Paraeters On-line Estiation Ergebnisse nach de 4. Stich unter noralen Betriebsbedingungen: Abweichung der Banddicke it herköliche (oben) und de neuen Regelungskonzept (unten). Der 3Siga-Wert verbesserte sich von 1,3% it herkölicher Dickenregelung (oben) auf 0,7% it der neuen Dickenregelung (unten). Classical control concept stellungen für das Walzgerüst. Es wurde entwickelt, u die Anforderungen hinsichtlich einer zunehenden Produktvielfalt, eine höheren Durchsatz und einer größeren Ausbeute sowohl in neuen als auch bestehenden Werken zu erfüllen. Die Aufgabe der Stichplanung besteht darin, die Banddickenreduktion auf ehrere Stiche angeessen zu verteilen. Dabei üssen die Eigenschaften des Eingangsaterials und des Endprodukts ebenso berücksichtigt werden wie anlagenbedingte Beschränkungen. Zur Vorhersage des Prozessverhaltens wird ein adaptives atheatisches Modell verwendet, it de die Paraeter für die Voreinstellung u.a. der Walzenposition, Walzkraft und der Planheitsaktoren bestit werden. Die Voreinstellungen für die unterschiedlichen Betriebsphasen, d.h. Einfädeln, Walzen und Ausfädeln, werden ebenfalls berechnet. Optiize IT übertrifft herköliche Verfahren durch: Verbesserte Modellierung des Walzspalts Berücksichtigung der Wäreausdehnung Rigorose Profilodellierung (For und Planheit) Verbesserte Adaptionsalgorithen VRefMill New control concept dhex Mill speed (/in) Thickness deviation (p.u.) Dies wiederu hat folgende Auswirkungen: Unterstützung von Bedienern und Produktionsplanung durch autoatisierte Sollwertberechnung Optiierte Durchsatzraten Stabile Walzbedingungen i Hinblick auf die Prozessbeschränkungen Verkürzung der Einfädel-, Ausfädelund Reversierzeiten Verkürzung der aus de Maß liegenden Bandlänge a Bandanfang und -ende Miniierung von Bandrissen, Ausfallzeiten und Walzenschäden Verbesserung der Oberflächenqualität des Bandes VRefMill dhex Mill speed (/in) Thickness deviation (p.u.) Ein Modellierungskonzept it physikalisch interpretierbaren Zwischenparaetern verbessert die Transparenz und die Interpretierbarkeit der Berechnungen. Verbesserte Funktionen zur Paraeteranpassung wurden ebenfalls in Optiize IT integriert. Die Optiize IT -Koponenten sind ein Teil des Produktionsleitsystes von ABB. 48

6 Sie sind als Offline- und Online-Version erhältlich 5. Die neue Lösung wurde bereits in einigen Aluiniuwalzwerken eingesetzt, wo sie zu einer Erhöhung des Durchsatzes u bis zu 40% (je nach Produkt) i Vergleich zu herkölichen Lösungen geführt hat. Control IT für technologische Regelungen Eine der wichtigsten Aufgaben bei Kaltwalzen besteht darin, die Banddicke innerhalb eines engen Toleranzbandes zu halten. Das Tiefziehen von Aluiniu- und Stahlblechen für Dosen oder Karosserieteile setzt hierbei den Maßstab. Je geringer die Schwankungen in der Dicke, desto näher kann an die iniale notwendige Solldicke gewalzt werden. Das Ergebnis ist ein geringerer Materialeinsatz und eine höhere Gesatrentabilität. Für einen optialen Walzprozess üssen echanische, elektrische und hydraulische Systee, Instruentierung, Schierung und die Regelungsstrategie zusaenpassen. Herköliche Algorithen zur Dickenregelung bestehen aus einzelnen Regelkreisen und Vorsteuerungen. Die dait erreichbare Regelgüte ist begrenzt, da die Algorithen die Kopplungen zwischen 8 h0 WR Die Offline-Analyse zeigt die Ursachen und deren Beitrag zu den periodischen Störungen it Auswirkung auf die Banddickenabweichung. BurtT BurB COI UNC h0: Periodic entry thickness distribution UNC: Periodic uncoiler distribution k0: Periodic hardness distribution COI: Periodic coiler distribution BurB: Botto backup roll BurT: Top backup roll IR: Interediate rolls WR: Work rolls Banddicke, Walzenposition und Bandzug nicht vollständig berücksichtigen. I Gegensatz dazu basiert die neue technologische Regelung von ABB auf eine Mehrgrößen-(MIMO-)Regelungskonzept 6, bei de die bestehenden echanischen/etallurgischen Kopplungen in eine Walzgerüst dynaisch entkoppelt werden. Die entkoppelten Kreise werden von Eingrößen-(SISO-)PID-Reglern geregelt. Dynaische Vorsteuerungen unterstützen die Unterdrückung von Störungen. Der Mehrgrößenregler wird online an den Prozesszustand angepasst, u eine gleichbleibend hohe Bandqualität und eine robuste Regelung für verschiedene Werkstoffe und Arbeitspunkte zu gewährleisten. Geeignete Anpassungsparaeter werden online it Hilfe eines integrierten Prozessodells berechnet. Ein Überwachungsodul überwacht und verfolgt die Qualität der sich ändernden Paraeter. Das in 7 dargestellte Beispiel zeigt, welche Verbesserungen it de neuen Regelungskonzept von ABB i Vergleich zu eine herkölichen Konzept öglich sind. Die größere Bandbreite des neuen Dickenreglers eröglicht eine deutliche Verringerung des Toleranzbandes sogar während der Beschleunigungs- und Verzögerungsphasen. Erste Tests in Kundeninstallationen zeigen, dass die Dickenvarianz u bis zu 50% (je nach Produkt) i Vergleich zu herkölichen Lösungen reduziert werden kann. Advise IT für Kaltwalzwerke Moderne Mensch-Maschine-Schnittstellen wie Operate IT enthalten standardäßige Visualisierungs- und Analysefunktionen wie die Filterung von Alaren und Ereignissen. Steigende Anforderungen hinsichtlich der Produktqualität und der Ausbeute erfordern eine bessere Überwachung, Diagnose und Entscheidungsunterstützung. U diesen Anforderungen gerecht zu werden, hat ABB Advise IT für Kaltwalzwerke entwickelt. Diese Anwendung liefert Online- und Offline-Analysen zur Qualität der Banddicke und -planheit, die wiederu eine Optiierung der Betriebs- und Prozessführung eröglichen. Advise IT erkennt Qualitätsproblee und identifiziert deren Ursachen. Funktionalitäten wie die längenbasierte Darstellung von Produktqualitätsparae- tern erleichtern die visuelle Überprüfung. Abweichungen in der Banddicke sind eist auf periodische Störungen in folgenden Bereichen zurückzuführen: Einlaufbanddicke Bandhärteänderungen i einlaufenden Material Walzenexzentrizität Haspelzugänderungen durch Haspelschlag Mit Hilfe einer FFT-Analyse und Korrelationsverfahren werden die Fehlerquellen identifiziert und quantifiziert 8. Dies unterstützt: Vorausschauende Wartungsstrategien wie das rechtzeitige Wechseln der Walzen oder das Erkennen von Probleen an einer Walzenschleifaschine die Optiierung der Betriebs- und Prozessführung in Kalt- und Warwalzwerken, z. B. die Verwendung verschiedener Geschwindigkeitsprofile a Bandanfang und -ende oder die Änderung der Schopfstrategie, u die Auswirkungen des Haspelschlags zu verringern. Advise IT für Kaltwalzwerke ist als Online- und Offline-Version erhältlich. Die Online-Version ist i AC800-Controller integriert und verwendet Operate IT zur Visualisierung. Fazit Das ABB Industrial IT -Syste für Kaltwalzwerke eröglicht eine einheitliche Anlagenautoatisierung it einer Suite aus nahtlos integrierten Lösungen. Dazu gehören leistungsstarke Koponenten zur Stichplanung, Gerüstvoreinstellung, Siulation, Regelung sowie zur Überwachung und Diagnose der Produktqualität. Durch sein einzigartiges Design und die erwiesene Leistungsfähigkeit setzt Industrial IT für Kaltwalzwerke den Maßstab für die Autoatisierung in der etallverarbeitenden Industrie. Andreas Kroll ABB AG Forschungszentru Ladenburg, Deutschland andreas.a.kroll@de.abb.co Andreas Voller ABB Autoation GbH Mannhei, Deutschland andreas.voller@de.abb.co 49